Forscher haben eine verborgene Seite der Materialbildung aufgedeckt, indem sie verfolgt haben, was passiert, wenn speziell entwickelte Moleküle erhitzt werden.
Forscher haben versteckte Phasen bei der Herstellung von Materialien aufgedeckt, die zu völlig neuen Technologien für saubere Energie und fortschrittliche Batterien führen könnten. Indem das Team genau verfolgte, was passiert, wenn speziell entwickelte Moleküle erhitzt werden, identifizierte es bisher unbekannte Materialien, darunter eine neue Form einer vielversprechenden Solarenergieverbindung.
Die Entdeckung stellt einen langjährigen Ansatz in der Chemie in Frage. Wissenschaftler konzentrieren sich typischerweise auf die Ausgangszutaten und das Endmaterial, das beim Erhitzen entsteht. Diese Studie untersuchte stattdessen die kurzen und instabilen Übergangsphasen, die dazwischen auftreten, und zeigte, dass diese übersehenen Zustände eigene wertvolle Eigenschaften besitzen können.
Veröffentlicht inNaturkommunikationDie Forschung legt nahe, dass sich in diesen vorübergehenden Stadien chemischer Reaktionen viele unentdeckte Materialien verbergen könnten.
Versteckte Phasen der Materialbildung
Dr. Sebastian Pike, Fachbereich Chemie,Universität Warwicksagte: „Wenn Materialien durch Erhitzen hergestellt werden, konzentrieren sich Wissenschaftler normalerweise auf das Endprodukt, das ‚B‘, das aus ‚A‘ entsteht.“ Diese Studie zeigt jedoch, dass es zwischen ‚A‘ und ‚B‘ viele faszinierende Phasen gibt und diese verborgenen Schritte genauso wichtig sein könnten.“
„Wir wussten nicht genau, was wir darin vorfinden würden, aber wir waren zuversichtlich, dass es in den Zwischenphasen etwas Interessantes und Unbekanntes geben würde. Wir waren begeistert, als wir schon bei den ersten Experimenten herausfanden, dass einige davon einen praktischen Nutzen haben könnten.“
Das Team verwendete speziell entwickelte „Single-Source-Vorläufer“, das sind Moleküle, die bereits alle zur Herstellung eines Materials erforderlichen Elemente enthalten. Indem die Forscher verfolgten, wie sich diese Moleküle während des Erhitzens veränderten, identifizierten sie mehrere bisher unbekannte Materialphasen. Eine davon war eine neu entdeckte kinetisch stabilisierte Form von Bismutvanadat (BiVO).4) namens β-BiVO4.
Eine neue Form eines sauberen Energiematerials
BiVO4gilt aufgrund seiner „Bandlücke“ (der Energie, die es benötigt, um Sonnenlicht zu absorbieren und chemische Reaktionen anzutreiben) als wichtiges Material für saubere Energietechnologien. Seine Bandlücke ermöglicht es ihm, Sonnenlicht effizient zu absorbieren und gleichzeitig genug Energie zu produzieren, um Wasser zu spalten und sauberen Wasserstoffbrennstoff zu erzeugen.
Das neu identifizierte β-BiVO4weist eine andere Atomanordnung auf als bisher bekannte Versionen des Materials. Forscher fanden heraus, dass es auch eine viel größere Bandlücke aufweist, was dazu führt, dass es anders mit Licht interagiert. Diese Eigenschaft könnte Wissenschaftlern bei der Feinabstimmung von Materialien helfen, die in der Solarkraftstoffproduktion, Katalyse und elektronischen Geräten verwendet werden.
Die Ergebnisse könnten auch über die Solarenergie hinaus Anwendung finden. Ein weiteres bei den Experimenten entdecktes Zwischenmaterial zeigte eine hohe Lithiumspeicherkapazität, was auf eine mögliche Verwendung in zukünftigen Batterietechnologien schließen lässt.
Aufdeckung von Materialien, die normalerweise während der Synthese verborgen bleiben
Dr. Dominik Kubicki von der Fakultät für Chemie derUniversität Birminghamsagte: „Das Spannende ist, dass diese ‚Zwischenmaterialien‘ nicht nur Trittsteine sind – sie können selbst nützliche Eigenschaften haben. Indem wir verstehen und kontrollieren, wie sie entstehen, können wir beginnen, bessere Materialien für Batterien, Katalyse und Solarenergie zu entwickeln.“
Um diese normalerweise verborgenen Zwischenzustände zu erkennen, kombinierten die Forscher mehrere fortschrittliche Techniken, darunter Festkörper-NMR-Spektroskopie, Röntgenbeugung und Paarverteilungsfunktionsanalyse.
Das Team entdeckte außerdem, dass die Wahl des Vorläufers sowie die Art und Weise, wie er sich beim Erhitzen zersetzt, die Materialbildung stark beeinflussen kann. Dieser Ansatz ermöglichte es den Forschern, Strukturen zu schaffen, die mit Standard-Heiztechniken nur schwer herzustellen sind.
Dr. Pike kam zu dem Schluss: „Wir haben hier nur einige Vorläufer untersucht, aber diese Arbeit weist auf eine umfassendere Chance in der Materialwissenschaft hin. Durch sorgfältige Kontrolle von Temperatur, Vorläuferchemie und Reaktionswegen können möglicherweise noch viele weitere „verborgene“, aber äußerst nützliche Materialien gefunden werden.“
Referenz: „Amorphe Zwischenprodukte und Entdeckung eines kinetischen Polymorphs von BiVO4 durch Erhitzen von V+Bi+Zn-Einzelquellenvorläufern“ von Alexandria E. Hands, Thomas J. Barnes, Andrea Scarperi, Benjamin M. Gallant, Emanuele Vismara, Julia Wiktor, Stephen E. Brown, David Walker, Ashok S. Menon, Javier Castells-Gil, Dominik J. Kubicki und Sebastian D. Pike, 30. April 2026,Naturkommunikation.
DOI: 10.1038/s41467-026-71702-7
Finanzierung: Royal Society
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Forscher haben eine verborgene Seite der Materialbildung aufgedeckt, indem sie verfolgt haben, was passiert, wenn speziell entwickelte Moleküle erhitzt werden.
Forscher haben versteckte Phasen bei der Herstellung von Materialien aufgedeckt, die zu völlig neuen Technologien für saubere Energie und fortschrittliche Batterien führen könnten. Indem das Team genau verfolgte, was passiert, wenn speziell entwickelte Moleküle erhitzt werden, identifizierte es bisher unbekannte Materialien, darunter eine neue Form einer vielversprechenden Solarenergieverbindung.
Die Entdeckung stellt einen langjährigen Ansatz in der Chemie in Frage. Wissenschaftler konzentrieren sich typischerweise auf die Ausgangszutaten und das Endmaterial, das beim Erhitzen entsteht. Diese Studie untersuchte stattdessen die kurzen und instabilen Übergangsphasen, die dazwischen auftreten, und zeigte, dass diese übersehenen Zustände eigene wertvolle Eigenschaften besitzen können.
Veröffentlicht inNaturkommunikationDie Forschung legt nahe, dass sich in diesen vorübergehenden Stadien chemischer Reaktionen viele unentdeckte Materialien verbergen könnten.
Versteckte Phasen der Materialbildung
Dr. Sebastian Pike, Fachbereich Chemie,Universität Warwicksagte: „Wenn Materialien durch Erhitzen hergestellt werden, konzentrieren sich Wissenschaftler normalerweise auf das Endprodukt, das ‚B‘, das aus ‚A‘ entsteht.“ Diese Studie zeigt jedoch, dass es zwischen ‚A‘ und ‚B‘ viele faszinierende Phasen gibt und diese verborgenen Schritte genauso wichtig sein könnten.“
„Wir wussten nicht genau, was wir darin vorfinden würden, aber wir waren zuversichtlich, dass es in den Zwischenphasen etwas Interessantes und Unbekanntes geben würde. Wir waren begeistert, als wir schon bei den ersten Experimenten herausfanden, dass einige davon einen praktischen Nutzen haben könnten.“
Das Team verwendete speziell entwickelte „Single-Source-Vorläufer“, das sind Moleküle, die bereits alle zur Herstellung eines Materials erforderlichen Elemente enthalten. Indem die Forscher verfolgten, wie sich diese Moleküle während des Erhitzens veränderten, identifizierten sie mehrere bisher unbekannte Materialphasen. Eine davon war eine neu entdeckte kinetisch stabilisierte Form von Bismutvanadat (BiVO).4) namens β-BiVO4.
Eine neue Form eines sauberen Energiematerials
BiVO4gilt aufgrund seiner „Bandlücke“ (der Energie, die es benötigt, um Sonnenlicht zu absorbieren und chemische Reaktionen anzutreiben) als wichtiges Material für saubere Energietechnologien. Seine Bandlücke ermöglicht es ihm, Sonnenlicht effizient zu absorbieren und gleichzeitig genug Energie zu produzieren, um Wasser zu spalten und sauberen Wasserstoffbrennstoff zu erzeugen.
Das neu identifizierte β-BiVO4weist eine andere Atomanordnung auf als bisher bekannte Versionen des Materials. Forscher fanden heraus, dass es auch eine viel größere Bandlücke aufweist, was dazu führt, dass es anders mit Licht interagiert. Diese Eigenschaft könnte Wissenschaftlern bei der Feinabstimmung von Materialien helfen, die in der Solarkraftstoffproduktion, Katalyse und elektronischen Geräten verwendet werden.
Die Ergebnisse könnten auch über die Solarenergie hinaus Anwendung finden. Ein weiteres bei den Experimenten entdecktes Zwischenmaterial zeigte eine hohe Lithiumspeicherkapazität, was auf eine mögliche Verwendung in zukünftigen Batterietechnologien schließen lässt.
Aufdeckung von Materialien, die normalerweise während der Synthese verborgen bleiben
Dr. Dominik Kubicki von der Fakultät für Chemie derUniversität Birminghamsagte: „Das Spannende ist, dass diese ‚Zwischenmaterialien‘ nicht nur Trittsteine sind – sie können selbst nützliche Eigenschaften haben. Indem wir verstehen und kontrollieren, wie sie entstehen, können wir beginnen, bessere Materialien für Batterien, Katalyse und Solarenergie zu entwickeln.“
Um diese normalerweise verborgenen Zwischenzustände zu erkennen, kombinierten die Forscher mehrere fortschrittliche Techniken, darunter Festkörper-NMR-Spektroskopie, Röntgenbeugung und Paarverteilungsfunktionsanalyse.
Das Team entdeckte außerdem, dass die Wahl des Vorläufers sowie die Art und Weise, wie er sich beim Erhitzen zersetzt, die Materialbildung stark beeinflussen kann. Dieser Ansatz ermöglichte es den Forschern, Strukturen zu schaffen, die mit Standard-Heiztechniken nur schwer herzustellen sind.
Dr. Pike kam zu dem Schluss: „Wir haben hier nur einige Vorläufer untersucht, aber diese Arbeit weist auf eine umfassendere Chance in der Materialwissenschaft hin. Durch sorgfältige Kontrolle von Temperatur, Vorläuferchemie und Reaktionswegen können möglicherweise noch viele weitere „verborgene“, aber äußerst nützliche Materialien gefunden werden.“
Referenz: „Amorphe Zwischenprodukte und Entdeckung eines kinetischen Polymorphs von BiVO4 durch Erhitzen von V+Bi+Zn-Einzelquellenvorläufern“ von Alexandria E. Hands, Thomas J. Barnes, Andrea Scarperi, Benjamin M. Gallant, Emanuele Vismara, Julia Wiktor, Stephen E. Brown, David Walker, Ashok S. Menon, Javier Castells-Gil, Dominik J. Kubicki und Sebastian D. Pike, 30. April 2026,Naturkommunikation.
DOI: 10.1038/s41467-026-71702-7
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